Ćwiczenie 3



Pobieranie 289,49 Kb.
Strona3/3
Data14.02.2018
Rozmiar289,49 Kb.
1   2   3

Żeliwo


Najtańszym materiałem łożyskowym jest żeliwo szare perlityczne. Może ono wytrzymywać duże naciski jednostkowe, jednak nie nadaje się do panewek wysokoobrotowych. Występujący w strukturze żeliwa grafit częściowo ulega wykruszeniu i zmieszany ze smarem wytwarza na powierzchni metalu cienką warstwę zmniejszającą ścieralność.

2.1.1.2. Stopy na osnowie miedzi


Do najczęściej stosowanych stopów łożyskowych na osnowie miedzi należą brązy. Charakteryzują się one dużą twardością i wytrzymałością, która zwiększa się ze wzrostem zawartości cyny. Brązów używa się w formie spieków, odlewów lub po przeróbce plastycznej. W zależności od składników stopowych rozróżniamy: brązy fosforowe, ołowiowe oraz cynowo-ołowiowe. Jako stopy łożyskowe stosowane są również brązy specjalne, takie jak: krzemowe i aluminiowe.

Brązy fosforowe zawierają do 1,2 % fosforu. Fosfor zwiększa odporność na ścieranie brązów cynowych i polepsza ich właściwości wytrzymałościowe. Jego struktura składa się z roztworu stałego i potrójnej eutektyki , rozmieszczonej w przestrzeniach międzydendrytycznych. Są stosowane w silnie obciążonych i szybkoobrotowych łożyskach.

Brązy ołowiowe i cynowo-ołowiowe. Ponieważ miedź i ołów są w stanie stałym prawie nierozpuszczalne, struktura brązu ołowiowego jest mieszaniną relatywnie twardej osnowy z niemal czystej miedzi, w której rozmieszczone są drobne wydzielenia miękkiego ołowiu. Dodatek cyny zapobiega segregacji ołowiu podczas krzepnięcia mieszaniny i umacnia ją w stanie stałym. Brązy ołowiowe mają dobre właściwości ślizgowe. Wynika to z działania warstwy ołowiu znajdującej się na powierzchni panewki. Z uwagi na dobrą plastyczność miedzi omawiane brązy charakteryzują się wysoką odpornością na obciążenia dynamiczne, a dobra jej przewodność cieplna powoduje, że mogą pracować przy relatywnie dużych prędkościach i obciążeniach. W razie przerwania warstwy smarnej i wzroście temperatury do ok. 350°C ołów topi się i przez pewien czas - pozwalający na interwencję obsługi - chroni łożysko przed zatarciem. Natomiast słabą stroną łożysk z brązów ołowiowych i cynowo-ołowiowych jest mała odporność na korozję, gdyż pojawiające się w efekcie rozkładu smaru kwasy organiczne usuwają ołów z osnowy miedzianej.

Brązy krzemowe cechują się zdolnością do umacniania się pod wpływem zgniotu, co jest korzystne ze względu na odporność na zużycie. Na ogół stosuje się brązy krzemowe z dodatkiem żelaza oraz cynku i manganu. Żelazo wpływa na rozdrobnienie struktury i podwyższa właściwości mechaniczne stopu. Cynk i mangan poprawiają właściwości odlewnicze.

Brązy aluminiowe są stosowane jako stopy wieloskładnikowe z dodatkami – oprócz aluminium - miedzi, żelaza, manganu i niklu. Posiadają dobre właściwości wytrzymałościowe, są odporne na korozję, wysokie temperatury i ścieranie.

Stopy miedzi do przeróbki plastycznej stosowane na łożyska ślizgowe monolityczne określa norma PN-ISO 4382-2:1996.



2.1.1.3. Stopy na osnowie cynku


Stopy te pojawiły się jako materiał zastępczy brązów. Zawierają jako dodatki aluminium i miedź. Podstawowymi ich zaletami są: dostępność, niska cena składników, duża przewodność cieplna oraz niska temperatura topnienia. Stopów cynku używa się w słabo obciążonych łożyskach. Nie znalazły one jednak szerszego zastosowania.

2.1.1.4. Stopy na osnowie aluminium


Są to stopy wieloskładnikowe zawierające takie dodatki, jak: miedź, krzem, magnez, nikiel, cyna, ołów, żelazo oraz antymon. Ich zastosowanie jest jednak ograniczone ze względu na trudności technologiczne w wykonaniu panewek oraz średnie właściwości użytkowe.
2.1.1.5. Łożyska z proszków spiekanych

Specyficznym rodzajem łożysk ślizgowych są łożyska wykonane technologią metalurgii proszków. Głównie są to łożyska porowate samosmarowne, wykonywane z proszków metali lub ich stopów, np. proszków żelaza, miedzi, brązu, niklu, niekiedy także z proszków materiałów ceramicznych, np. tlenku aluminium. Są one formowane i spiekane w sposób zapewniający odpowiednią porowatość. Porowaty szkielet, którego zadaniem jest przenoszenie obciążeń, nasycany jest ciekłym środkiem smarnym, np. olejem, który na skutek ruchu obrotowego czopa zasysany jest do przestrzeni roboczej łożyska.

Część łożysk z proszków spiekanych zawiera w osnowie metalicznej równomiernie w niej rozmieszczone cząstki substancji stałych pełniących rolę środków smarnych (np. dwusiarczek molibdenu (MoS2) lub wolframu (WS2) albo grafit; może to być także ołów, czy teflon). Odpowiedni zapas środka smarnego zmagazynowany w osnowie tych łożysk sprawia, że mogą one długo pracować bezobsługowo, zapewniając bardzo dobre warunki smarowania.
2.1.1.6. Łożyska wielowarstwowe

Spełnienie przez jeden rodzaj materiału wszystkich wymagań stawianych materiałom na łożyska ślizgowe jest często trudne do osiągnięcia. Z tego też powodu, a również z uwagi na ceny większości materiałów łożyskowych, często stosowane są łożyska tzw. wielowarstwowe.

Warstwą podstawową (podłożem) grubości kilku milimetrów zwykle jest blacha (taśma) stalowa niskowęglowa walcowana na zimno lub blacha z brązu albo stali nierdzewnej. Na nią nakłada się warstwę zasadniczą z materiału łożyskowego. Często, zależnie od potrzeb, nakładana jest jeszcze dodatkowa warstwa zwana ślizgową; wprowadza się też zwykle, między wymienionymi warstwami zasadniczymi, warstwy pośrednie.

Nałożenie warstwy zasadniczej stopu łożyskowego na podłoże może zostać przeprowadzone następująco:



  • przez pokrycie warstwy podstawowej cienką warstwą miedzi, o grubości zwykle nie przekraczającej 10 μm, ściśle związaną z podłożem i nałożenie oraz zagęszczenie materiału łożyskowego (np. brązu) w formie proszku, a następnie poddanie spiekaniu, lub

  • przez naniesienie na powierzchnię blachy tworzącej warstwę podstawową topnika, np. w postaci roztworu chlorku cynku i po podgrzaniu „pobielenie” blachy warstwą stopu łożyskowego grubości rzędu setnych mm, a następnie wylanie na tak przygotowane oraz odpowiednio podgrzane podłoże warstwy stopu łożyskowego. Obie operacje przeprowadza się w atmosferze ochronnej gazu obojętnego, np. azotu.

Zazwyczaj nanoszona jest jeszcze dodatkowa warstwa ślizgowa grubości kilku setnych milimetra, np. metodą galwaniczną - warstwa ze stopu ołowiu z indem (5÷10%), ołowiu z cyną (ok. 10%) albo stopu łożyskowego cyny Ł83 lub Ł89. Jeżeli zachodzi taka potrzeba, przed nałożeniem warstwy ślizgowej nakłada się jeszcze warstwę zwaną zaporową, np. z niklu, mającą zabezpieczać przed procesami dyfuzji w strefie styku rozdzielonych nią warstw. Na warstwy ślizgowe stosuje się też materiał politetrafluoroetylen (PTFE), czyli teflon, np. z cząstkami ołowiu, czy kompozyty na bazie żywicy poliacetylenowej (POM).

W tej grupie mieszczą się też nowoczesne łożyska tzw. zespolone: metal – polimer. Na nośnik w postaci taśmy stalowej lub z brązu, naniesiona jest porowata warstwa brązu lub innego materiału spiekanego impregnowana specjalną mieszanką z tworzywa sztucznego. Stanowi ona rodzaj smaru stałego wytwarzającego między parą ślizgową cienki film smarny. Zapewnia on niski współczynnik tarcia i bezgłośną pracę łożyska. Dodatkiem do tworzywa sztucznego może też być jeden ze znanych stałych środków smarnych, np. dwusiarczek molibdenu MoS2.

2.1.1.7. Łożyska z materiałów niemetalowych

Coraz liczniejszą grupę łożysk ślizgowych stanowią łożyska wykonane z materiałów niemetalowych, głównie polimerów. Stosowane są one tam, gdzie warunki nie pozwalają na stosowanie standardowych materiałów łożyskowych, np., gdy ze względu na agresywne środowisko wymagany jest materiał o dużej odporności na korozję, albo gdzie jest utrudnione lub niemożliwe smarowanie, np. w związku z rodzajem produkcji lub obawą o zanieczyszczenie środowiska. Większość łożysk polimerowych ma zdecydowanie niższy od łożysk z materiałów konwencjonalnych wskaźnik natężenia pracy pv, głównie z powodu gorszego przewodnictwa cieplnego i gorszych własności wytrzymałościowych. W celu zwiększenia wytrzymałości stosuje się kompozyty polimerowe zbrojone włóknami, czy napełniacze, np. proszki metali, zwiększające wytrzymałość i przewodnictwo cieplne, lub smary stałe zmniejszające tarcie. Relatywnie wysokie własności mają łożyska wykonane z teflonu (PTFE).

Jednym z rodzajów nowoczesnych niemetalowych łożysk bezobsługowych przeznaczonych do pracy w najtrudniejszych warunkach, tj. dużym obciążeniu, agresywnym środowisku i dużym zanieczyszczeniu są łożyska wykonane z krzyżowo nawijanych włókien szklanych i żywicy epoksydowej z warstwą ślizgową wykonaną z włókien teflonowych (PTFE) i polieterosulfonowych (PES).

Przykłady łożysk ślizgowych z tworzyw sztucznych przedstawiono na zdjęciu nr 2.


2.2. ŁOŻYSKA TOCZNE

Łożyska toczne standardowo składają się z:

  • pierścieni: zewnętrznego - osadzanego w oprawie i wewnętrznego – osadzanego na czopie (powierzchnia pierścienia, po której przetaczają się elementy toczne, to tzw. bieżnia),

  • elementów tocznych (kulki, wałeczki, igiełki, baryłki, stożki itp.), toczących się po bieżniach,

  • koszyka (elementu pozycjonującego elementy toczne, zapewniającego ich rozdzielenie i utrzymanie w odpowiednich odległościach oraz pozwalającego na utrzymanie poszczególnych części łożyska w połączeniu z pozostałymi lub – w łożyskach tzw. rozłącznych, np. stożkowych - połączenie części tocznych przynajmniej z jednym pierścieniem).

Bieżnie, które przenoszą obciążenia w kierunku głównym działania łożyska noszą nazwę bieżni głównych, zaś bieżnie służące przenoszeniu obciążeń w innych kierunkach – bieżni pomocniczych.

Podział łożysk tocznych dokonywany jest według wielu kryteriów, np.:

  • wg nominalnego kąta działania α, tj. kąta pomiędzy prostopadłą do osi łożyska i prostą łączącą punkty styku kulki z bieżniami w nieobciążonym łożysku, a w łożyskach wałeczkowych – prostą prostopadłą do tworzącej bieżni zewnętrznej, rozróżnia się łożyska:

    • promieniowe, inaczej poprzeczne (0° ≤ α < 45°),

    • osiowe, inaczej wzdłużne (45° ≤ α < 90°) i

    • skośne, tzn. łożyska promieniowe wymagające jednak osiowego podparcia pierścieni;

  • wg kształtu elementów tocznych:

    • kulkowe i

    • wałeczkowe, a wśród nich: walcowe, igiełkowe, baryłkowe, stożkowe;

  • wg liczby rzędów elementów tocznych:

    • jednorzędowe, dwurzędowe i wielorzędowe;

  • zależnie od możliwości pracy przy niewspółosiowości czopa wału i gniazda łożyska:

    • zwykłe (brak możliwości),

    • wahliwe (odchylenie od osi możliwe dzięki częściowo kulistej bieżni pierścienia zewnętrznego),

    • samonastawne (kulista częściowo powierzchnia zewnętrzna pierścienia zewnętrznego przemieszcza się względem oprawy lub dodatkowego pierścienia).

Przykłady łożysk tocznych o różnej konstrukcji przedstawiono na rys. 1 i 2.
W przypadku łożysk tocznych dominujące znaczenie ma tarcie toczne, często zwane też oporem toczenia, gdyż jest to opór występujący przy toczeniu jednego elementu po drugim. W łożyskach tocznych bezpośredni kontakt występuje między elementami tocznymi (kulkami, baryłkami, stożkami itp.) a bieżniami pierścieni - wewnętrznego i zewnętrznego. Z uwagi na bardzo małe powierzchnie styku, koncentrują się na nich wysokie naciski prowadzące do odkształceń sprężystych i deformacji stykających się elementów. Np., gdy wałek wciskany jest w materiał bieżni, tworzy się w niej wklęsłość, zaś na szerokości powierzchni styku wałek ulega spłaszczeniu (zmienia zarys z okrągłego na owalny). Towarzyszy temu w strefie styku rozsuwanie się materiału bieżni (naprężenia rozciągające) i skracanie obwodu wałka (naprężenia ściskające) i w konsekwencji dochodzi do przesunięć względnych stykających się elementów, nazywanych mikropoślizgami. W przypadku łożysk stożkowych pojawiają się dodatkowo mikropoślizgi poprzeczne. Mamy zatem, mimo toczenia się elementów, do czynienia z tarciem ślizgowym, które także występuje nie tylko na styku bieżni z elementami tocznymi, lecz także na styku tych elementów z pozycjonującymi je koszyczkami.

W analizie odkształceń należy jeszcze uwzględnić, że przy przetaczaniu się elementu tocznego po bieżni reakcje sprężyste nie są symetryczne względem osi tego elementu, jak to ma miejsce w spoczynku, lecz w przedniej części w kierunku toczenia występuje większy nacisk niż w tylnej. W rezultacie w początkowym obszarze strefy styku powstaje wybrzuszenie materiału bieżni, w części tylnej wklęsłość.

Jednak to nie tarcie ślizgowe jest główną przyczyną oporów toczenia. Najistotniejszą przyczyną jest zjawisko histerezy sprężystej występującej przy ściskaniu i rozprężaniu w obszarze styku bieżni i elementu tocznego. Nie jest to proces w pełni odwracalny, gdyż część energii ulega rozproszeniu, co powoduje, że wykres przedstawiający zależność odkształcenie - naprężenie ma postać pętli. Praca włożona w odkształcenie sprężyste nie jest zwracana w całości podczas odciążenia.

Do dwóch opisanych już czynników powodujących straty przy toczeniu należy dodać, szczególnie w przypadku dużych obciążeń, zjawisko tarcia adhezyjnego5, tj. tworzenie i niszczenia (rozrywania) połączeń mostkowych (adhezyjnych) między oddziałującymi elementami łożyska (rys. nr 4).

Przedstawione powyżej zjawiska są przyczyną strat energetycznych, lecz nie wpływają znacząco, w sposób bezpośredni, na proces zużycia łożysk tocznych. Zużycie ścierne spowodowane tarciem nie jest zasadniczym problemem w eksploatacji łożysk tocznych.

Najistotniejszym czynnikiem z punktu widzenia trwałości łożysk tocznych jest zjawisko pittingu (ang. pitt – wgłębienie), przejawiające się powstawaniem licznych wykruszeń na powierzchniach kontaktowych. Fizyka tego zjawiska jest złożona. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że w trakcie toczenia, na skutek cyklicznie powtarzających się w strefach styku zmiennych naprężeń i odkształceń, dochodzi do pęknięć zmęczeniowych materiału. Ich zarodki powstają na powierzchni poddawanej cyklicznym obciążeniom i rozchodzą się w głąb materiału pod kątem około 30o i po osiągnięciu pewnej głębokości zawracają pod kątem zbliżonym do prostego. W rezultacie materiał ulega wykruszeniu i na powierzchni elementu powstają charakterystyczne zagłębienia w kształcie wachlarza. Stają się one miejscem koncentracji naprężeń, co powoduje dalszy, zwykle bardzo szybki, rozwój tych uszkodzeń i w konsekwencji w krótkim czasie zniszczenie warstwy powierzchniowej elementu (zdjęcie nr 3). Proces opisanych uszkodzeń zmęczeniowych ulega znacznemu przyspieszeniu na skutek obecności i hydrodynamicznego oddziaływania ciekłego środka smarującego. Istnieje także teoria, że obecność smaru ciekłego nie tylko przyspiesza, a wręcz warunkuje powstawanie zjawiska pittingu. Tłumaczy się to w ten sposób, że w powstałe mikropęknięcia wciskany jest smar, wypełnia on także zagłębienia powstałe po pierwotnych wykruszeniach, co z uwagi na gwałtowny wzrost ciśnienia smaru w chwili przetaczania się elementu tocznego przez ten obszar prowadzi w pierwszym przypadku do szybkiej propagacji pęknięcia, a w drugim do powiększania istniejących już obszarów zagłębień.

Zjawisko pittingu nazywa się też zużyciem gruzełkowym, dla odróżnienia od tzw. spallingu (ang. spall – odprysk), tj. zużycia przez łuszczenie. Mechanizm obu zjawisk jest podobny, natomiast w przypadku spallingu proces pękania rozpoczyna się wewnątrz warstwy wierzchniej elementów roboczych i zachodzi intensywnie przy braku lub zbyt małej ilości środka smarnego, gdy współpracujące elementy są wykonane z materiałów o wysokiej twardości i wysokiej granicy plastyczności. W rezultacie spallingu na powierzchni bieżni powstają wżery w kształcie stożka ściętego, kilkakrotnie głębsze od zagłębień wywołanych pittingiem.

Ponieważ opisane zjawiska prowadzą do szybkiego zużywania łożysk tocznych w wyniku zmęczenia powierzchniowego materiału (zdjęcie nr 4), najskuteczniejszym sposobem przeciwdziałania jest zapewnienie elementom roboczym łożyska wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej.

Wyjątkowe znaczenie w przypadku wytrzymałości zmęczeniowej ma jakość materiału, gdyż wszelkie nieciągłości i niejednorodności, np. mikropęknięcia, wtrącenia niemetaliczne, segregacja węglików itp., wywołują koncentrację naprężeń i przyspieszają procesy zmęczeniowe.

Odwrotnie na wytrzymałość zmęczeniową wpływa gładkość powierzchni. Im powierzchnie robocze gładsze tym wyższa trwałość łożyska, dlatego wskazane jest, szczególnie w łożyskach wysoko obciążonych, polerowanie czy dogładzanie powierzchni bieżni.

Istotnie na wytrzymałość zmęczeniową mogą wpływać także zjawiska i zmiany zachodzące w materiale w trakcie eksploatacji. W warstwach wierzchnich części roboczych łożysk tocznych, dochodzi w pewnych niewielkich obszarach do odkształceń plastycznych. Mimo, że zjawisko to zachodzi w mikroobszarach, badania wykazują, że po dłuższym czasie eksploatacji obserwowany jest wyraźnie zgniot w cienkiej warstwie powierzchni roboczej elementów łożysk. Skutkuje to powstaniem naprężeń ściskających, które wraz z naprężeniami własnymi będącymi skutkiem procesu technologicznego, np. szlifowania, ewentualnie także zachodzących w trakcie eksploatacji przemian strukturalnych (czynnik temperatury, czasu, wysokich nacisków itp.) mogą znacząco obniżać zmęczeniową wytrzymałość stykową.

Należy jeszcze wymienić inne czynniki wpływające na trwałość łożysk tocznych. Do bardziej istotnych zalicza się zużycie korozyjne. Zwykle jest to efekt utleniającego działania atmosfery na powierzchniach styku, czemu sprzyja podwyższona, a lokalnie wysoka, temperatura oraz odsłanianie czystych powierzchni materiału w wyniku ścierania powierzchni i ścinania jej nierówności. Podobnie jak w przypadku wytrzymałości zmęczeniowej, korzystnie wpływa w tym przypadku wysoka gładkość i twardość warstwy wierzchniej, jednorodność strukturalna materiału oraz zmniejszenie naprężeń wewnętrznych.

Specyficznym czynnikiem obniżającym trwałość łożysk jest przepływ prądu (zarówno stałego jak i zmiennego, nawet o niskim natężeniu) od pierścienia do pierścienia poprzez elementy toczne, który powoduje zjawisko zbliżone do spawania łukiem elektrycznym. Konsekwencją jest lokalne podwyższanie się temperatury metalu prowadzące do odpuszczania, a nawet lokalnego topienia materiału (powstawanie mini kraterów). Innym negatywnym skutkiem oddziaływania prądu elektrycznego jest tworzenie się zarówno na bieżniach jak i na wałeczkach rowków.

Czynnikiem ważnym dla trwałości eksploatacyjnej jest również temperatura pracy łożyska. Jej wzrost, w stopniu zależnym od materiału, zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową, obniża twardość, przyspiesza procesy korozji i zwiększa zużycie ścierne, a także pogarsza warunki smarowania. Wszystko to obniża trwałość łożyska.

Duże znaczenia dla trwałości łożysk tocznych ma oczywiście ich smarowanie. Do tego celu używane są zwykle smary plastyczne i oleje oraz wyjątkowo – najczęściej w łożyskach pracujących w wysokich temperaturach lub w próżni – smary stałe. Smary plastyczne są roztworami substancji zwanych zagęszczaczami w oleju. Jako zagęszczacze stosuje się zazwyczaj mydła metali (np. sodu, potasu, wapnia). Smar plastyczny cechuje się w stanie spoczynku konsystencją ciała stałego, a w trakcie ruchu elementów tocznych łożyska, na skutek naprężeń ścinających staje się płynny i ma własności zbliżone do oleju bazowego. Zastosowania smarów plastycznych ograniczają temperatury: dolna – związana z temperaturą krzepnięcia oleju (kilkanaście lub kilkadziesiąt stopni Celsjusza) i górna – związana z wydzielaniem się oleju ze smaru (tzw. kroplenie smaru), zwykle wynosząca sto kilkadziesiąt stopni. Smarowanie łożysk tocznych olejem stosuje się w przypadkach, gdy brak możliwości zastosowania smaru plastycznego, np. z uwagi na ich konstrukcję, małą dostępność niezbędną dla wymiany smaru, czy z powodu zbyt wysokiej temperatury pracy łożyska lub zbyt dużej prędkości obrotowej, wyższej od dopuszczalnej dla smaru plastycznego. Przesłanką zastosowania smaru płynnego może być też konieczność odprowadzania z węzła tarcia nadmiaru ciepła.

2.2.1. Materiały na łożyska toczne

Jest zrozumiałe, że z uwagi na relatywnie wysokie naciski jednostkowe i omówione powyżej mechanizmy zużycia, do wytwarzania elementów łożysk tocznych przenoszących obciążenia konieczne jest stosowanie stali wykazujących - po stosownych zabiegach technologicznych - najwyższe własności użytkowe, a w szczególności: wysokie własności wytrzymałościowe, w tym wytrzymałość zmęczeniową, wysoką twardość i związaną z tym odporność na ścieranie, a w przypadku łożysk pracujących w agresywnym środowisku – odporność na korozję, zaś w przypadku ich pracy w wysokich temperaturach - żarowytrzymałość. Z uwagi na sposób kształtowania wyrobów i obróbkę wykańczającą, stale te muszą także wykazywać odpowiednie własności technologiczne, w tym dobre własności plastyczne - zarówno na zimno jak i na gorąco, dobrą skrawalność, wystarczająca hartowność - zapewniająca strukturę martenzytyczną na całym przekroju, przy odpowiednio wolnym chłodzeniu, wysoką stabilność wymiarową podczas obróbki cieplnej.


Wśród polskich stali powyższe wymagania spełniają stale podane w tablicy nr 1.


Tablica 2. Oznaczenia i orientacyjny skład chemiczny podstawowych gatunków stali na łożyska toczne, wg normy PN-EN ISO 683-17:2004


Znak stali

Zawartość składników w % masy


C

Si

Mn

Cr

Cu

max


Mo

max


Al.

max


P

max

S


max

100Cr6

(odpowiednik stali ŁH15)



0,93-1,05

0,15-0,35

0,25-0,45

1,35-1,60

0,30

0,10

0,05

0,025

0,015


100CrMnSi6-4

(odpowiednik stali ŁH15SG)



0,93-1,05

0,45-0,75

1,00-1,20

1,40-1,65

0,30

_

0,05

0,025

0,015


Ze względu na potrzebę podyktowaną głównie troską o wysoką wytrzymałość zmęczeniową konieczne jest zapewnienie struktury o możliwie wysokiej czystości i jednorodności. Wysoką czystość metalurgiczną, w tym niskie stężenie szkodliwych domieszek w postaci fosforu i siarki, a także innych niepożądanych pierwiastków – w przypadku stali łożyskowych, m.in. niklu, miedzi, molibdenu czy aluminium oraz wtrąceń niemetalicznych, osiągnąć można przez wytop próżniowy lub elektrożużlowy. Ponadto, dla uzyskania dobrych własności technologicznych, półwyroby hutnicze przeznaczone na łożyska toczne poddaje się wyżarzaniu sferoidyzującemu, w trakcie którego, w wyniku długotrwałego wygrzewania w temperaturze nieco powyżej Ac1 uzyskuje się drobnoziarnisty cementyt kulkowy równomiernie rozmieszczony w ferrytycznej osnowie. Zapewnia to obniżenie twardości, podatność na odkształcenia plastyczne i dobrą skrawalność materiału, a ponadto korzystną strukturę wyjściową materiału dla utwardzania cieplnego.


Uzyskanie wysokich własności stali łożyskowych zapewnia przede wszystkim odpowiedni skład chemiczny stopów.

Wysoka zawartość węgla w tych stalach, na poziomie 1%, zwiększa twardość, a tym samym także odporność na ścieranie.


Głównym zadaniem chromu (ok. 1,5%), jako zasadniczego składnika stopowego stali łożyskowych, jest zwiększenie hartowności. Wpływa na to kilkukrotne obniżenie przez chrom krytycznej szybkości chłodzenia. Chrom też zwiększa ilość i twardość węglików w stali. Dodatkowo, obecność drobnych, sferoidalnych węglików o odpowiedniej dyspersji obniża skłonność do rozrostu ziarna austenitu, nawet przy wysokich temperaturach i długim czasie austenityzowania. Dzięki temu w stanie hartowanym materiał wykazuje dobrą udarność i wytrzymałość zmęczeniową.

W obecności chromu zwiększona zawartość manganu, jak to ma miejsce w przypadku drugiej stali pokazanej w tabeli 2, nie wywołuje tak niepożądanego rozrostu ziarna charakterystycznego dla stali wysokomanganowych. Znacząca część manganu tworzy węgliki, które także hamują rozrost ziaren austenitu. Zaś mangan rozpuszczony w austenicie zwiększa jego trwałość, co powoduje wzrost hartowności. Dodatkowo mangan obniża temperaturę przemiany martenzytycznej, na skutek czego rośnie ilość i stabilność austenitu szczątkowego. Ogranicza to odkształcenia elementów po hartowaniu, co ma istotne znaczenia przy wytwarzaniu łożysk o dużych rozmiarach.

Krzem zwiększa trwałość austenitu i podwyższa hartowność oraz zwiększa, pożądaną w przypadku materiałów łożyskowych, odporność martenzytu na odpuszczanie. Negatywnemu działaniu krzemu, takiemu jak zwiększanie skłonności do rozrostu ziaren, czy do pęknięć hartowniczych, przeciwdziała zwiększona zawartość manganu.

Wysoką twardość i wytrzymałość zmęczeniową uzyskuje się dzięki hartowaniu z temperatury 820 – 840 oC z chłodzeniem w gorącym oleju oraz niskiemu odpuszczaniu w temp. 180 oC. Taka obróbka cieplna zapewnia drobnolistwowy martenzyt z drobnymi węglikami. W rezultacie uzyskuje się twardość na poziomie co najmniej 62 HRC.

Standardowo zapewniona jest stabilność wymiarów łożysk w temp. do ok. 120 stopni Celsjusza. Na specjalne zamówienie łożyska mogą być wykonane jako stabilne wymiarowo także w wyższych temperaturach.

Do wyrobu łożysk tocznych mogą też być stosowane stale stopowe do nawęglania. Obecnie główne zastosowanie znajdują one w produkcji łożysk wielkogabarytowych o średnicy 500 - 2000 mm. Przy dużych wymiarach przekrojów podczas obróbki cieplnej elementów ze stali nadeutektoidalnych dochodzi do znacznych zmian wymiarowych, odkształceń i naprężeń. W przypadku stali do nawęglania problem ten jest znacznie słabszy, z uwagi na mniejsze różnice w objętości perlitu i niskowęglowego martenzytu w rdzeniu. W Polsce podstawową stalą wykorzystywaną w tym zakresie jest stal chromowo-niklowa 20H2N4A do nawęglania i ulepszania cieplnego. Jej skład podano w tablicy 3.


W przypadku łożysk pracujących w środowiskach wilgotnych i agresywnych korozja jest zasadniczym czynnikiem wpływającym na ich niezawodność i trwałość. Dlatego też łożyska te wytwarzane są z nierdzewnych stali łożyskowych, w Polsce ze stali X105CrMo17. Stal tę przedstawiono w tablicy 4.



Tablica 3. Oznaczenie i orientacyjny skład chemiczny stali do nawęglania stosowanej na elementy łożysk tocznych, wg normy PN-H-84035:12972



Znak stali

Zawartość składników w % masy

C

Si

Mn

Cr

Ni

Cu

P

S

20H2N4A

0,16– 0,22

0,17– 0,37

0,30– 0,60

1,25– 1,65

3,25– 3,65

max 0,30

max 0,030

max 0,025



Tablica 4. Oznaczenie i orientacyjny skład chemiczny stali nierdzewnej stosowanej na elementy łożysk tocznych


Znak stali

Zawartość składników w % masy


C

Si

Mn

Cr

Cu

Mo

Al

P

S


X105CrMo17

(odpowiednik

stali H18)


0,95 – 1,20

max 1,00

max 1,00

16,0 – 18,0

_

0,04 – 0,08

_

max 0,040

max 0,015


Łożyska narażone na wysokie temperatury rzędu 400 – 500 oC wytwarza się ze stali chromowo-molibdenowo-wanadowej lub ze stali szybkotnącej.

Z uwagi na znikome lub relatywnie niewielkie obciążenia koszyków łożysk tocznych są one wykonywane nie tylko ze stali, lecz również z innych tworzyw metalicznych i niemetalicznych. Można wyróżnić dwa rodzaj koszyków: blaszane i masywne. Masywne (o znacznie grubszej ściance) stosowane są zwykle wtedy, gdy koszyk musi być prowadzony po obrzeżu pierścienia.


Do wyrobu koszyków blaszanych stosuje się blachę stalową, najczęściej ze stali niskowęglowej walcowanej na gorąco przeznaczonej do obróbki plastycznej na zimno, określonej w normie PN-EN 10111:2001, a w przypadku łożysk ze stali nierdzewnej - ze stali nierdzewnej o znaku X5CrNi18-10 wg EN 10088-1:1995 (odpowiednikiem w PN jest stal 0H18N9). Elementy koszyków blaszanych łączy się poprzez nitowanie lub zaginanie. Rzadziej, na koszyki, głównie łożysk małych i średnich stosuje się blachę mosiężną, zwykle w gatunku CuZn39Pb2 (MO59). W przypadku, gdy w środowisku pracy łożyska może wystąpić amoniak, ze względu na zagrożenie pękaniem sezonowym, mosiądz zastępowany jest blachą stalową.

Koszyki masywne wytwarza się jako monolityczne lub w formie elementów nitowanych i wykonuje ze stopów metali (stali, mosiądzu) lub tekstolitu6, albo poliamidu wzmocnionego włóknem szklanym. Jako stal zwykle stosuje się stal konstrukcyjną węglową typu S355GT zgodnie z EN 10 025:1990 + A:1993 (dawne oznaczenie St 52), zaś mosiądzem wykorzystywanym w tym celu jest zwykle mosiądz ołowiowy CuZn39Pb2, o bardzo dobrej podatności do obróbki plastycznej na gorąco. Przy dużych prędkościach obrotowych korzystne jest stosowanie lekkich koszyków masywnych; są one zwykle wykonywane ze stopów aluminium lub z tworzyw termoplastycznych.

Koszyki z tworzyw sztucznych formuje się wtryskowo, stosując jako materiał poliamid wzmacniany włóknem szklanym. Materiał ten wykazuje korzystne zestawienie sprężystości i wytrzymałości, jednak własności te ulegają niekorzystnym zmianom w wyniku tzw. starzenia, na które największy wpływ poza czasem wywiera temperatura i agresywne środki smarne. Także dłuższa praca w obniżonych temperaturach jest niebezpieczna, z uwagi na spadek sprężystości tworzywa. Tworzywem zdecydowanie lepszym pod względem podatności na starzenie jest polimer polieteroeteroketon (PEEK). Może on pracować bez objawów starzenia wskutek działania temperatury i substancji olejowych do 200 °C, a w przypadku wysokich prędkości obrotowych jego maksymalna temperatura pracy wynosi 150 °C. Stosowany jest głównie w łożyskach hybrydowych i precyzyjnych.

Koszyki budowane z tekstolitu są bardzo odporne na duże siły odśrodkowe i przyspieszenia, lecz nie nadają się do pracy w wysokich temperaturach.

Coraz częściej do produkcji nie tylko koszyków, ale i pozostałych elementów łożysk tocznych stosuje się materiały niemetaliczne: ceramiczne i polimery. Najczęściej jednak mamy do czynienia z wyrobami, w których zastosowano różne materiały. Mogą to być, np. tzw. łożyska hybrydowe, tj. z pierścieniami stalowymi, ceramicznymi elementami tocznymi (np. z azotku krzemu lub dwutlenku cyrkonu), z koszykiem stalowym lub z tworzywa sztucznego, albo łożyska ceramiczne, w których jedynie koszyk jest z tworzywa sztucznego, lecz także łożyska wykonane wyłącznie z materiałów ceramicznych (nazywane całoceramicznymi) – bez koszyka, albo łożyska polimerowe - z pierścieniami i koszykiem z tworzywa sztucznego oraz częściami tocznymi ze stopu metali (zwykle stali nierdzewnej) lub nawet szkła (zdjęcie 6).

Materiały niemetaliczne mogą zdecydowanie podwyższać niektóre cechy łożysk kulkowych i wydłużać czas ich niezawodnej pracy. Np., zastosowanie azotku krzemu (Si3N4) na kulki w łożyskach o pierścieniach stalowych powoduje, że kulki działają jak izolator, co zabezpiecza łożysko przed negatywnymi skutkami przepływu prądu opisanymi wcześniej7. Ponadto, Si3N4 jest o ok. 60% lżejszy od stali łożyskowej, co sprawia, że szczególnie przy gwałtownym rozruchu lub wyhamowywaniu moment bezwładności jest zdecydowanie mniejszy, a przy wysokich prędkościach także znacząco maleje tarcie, a tym samym występuje mniejszy wzrost temperatury i w konsekwencji wolniej zachodzą procesy zużywania. Z ww. powodów łożyska hybrydowe polecane są do pracy z dużymi prędkościami obrotowymi i w trudnych warunkach dynamicznych. Poza wymienionymi już cechami, azotek krzemu jest także twardszy od stali łożyskowej, ma większy współczynnik sprężystości i mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Dzięki temu łożyska z elementami z tego materiału są bardziej sztywne i bardziej stabilne wymiarowo.

Łożyska całoceramiczne nie wymagają smarowania nawet w najtrudniejszych warunkach pracy, tj. gdy występuje wysoka temperatura, korozyjne środowisko czy próżnia. Mają wysoką odporność na działanie wielu związków chemicznych, np. mogą pracować zanurzone w kwasie. Są niemagnetyczne, a więc mogą pracować w polu magnetycznym nie wprowadzając żadnych zakłóceń. Imponujący jest ich temperaturowy zakres pracy: od -50 do + 1350 oC.

Pierścienie łożysk polimerowych wykonywane są np., przez światowego potentata w produkcji łożysk - firmę SKF, z poliacetalu (POM) i polipropylenu (PP). Cechą szczególnie korzystną ww. polimerów jest ich odporność na korozję i działanie środków chemicznych. Ich kolejne zdecydowanie korzystne cechy to niski współczynnik tarcia i wysoka odporność na zużycie oraz zmęczenie. Jednocześnie, mogą pracować na sucho (bez środka smarnego) i dlatego nazywane są samosmarującymi. Warta podkreślenia jest też ich wysoka wytrzymałość właściwa8 oraz wysoka stabilność wymiarowa (między innymi dzięki małej skłonności do pełzania). Słabą stroną łożysk polimerowych jest znacznie ograniczona w stosunku do łożysk stalowych możliwość pracy przy dużych obciążeniach i wysokich prędkościach.


3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA


Mikroskopy metalograficzne, zestaw zgładów metalograficznych, atlas struktur, przykłady łożysk, zestaw norm.

4. PRZEBIEG ĆWICZENIA


Ćwiczenie polega na obserwacji zgładów wybranych struktur stopów łożyskowych pod mikroskopem oraz rzutowanych na ekran. Wybrane z oglądanych struktur należy przerysować na arkusz białego papieru, zwracając uwagę na poprawne pokazanie ich charakterystycznych cech. Na rysunkach należy zaznaczyć poszczególne składniki strukturalne.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA


W sprawozdaniu z ćwiczenia należy zamieścić:

  1. podział stopów łożyskowych według ich składów chemicznych,

  2. rysunki wybranych mikrostruktur oglądanych struktur materiałów łożyskowych, z zaznaczeniem poszczególne składników strukturalnych, opisem ich cechy i wpływem na własności użytkowe materiału,

  3. informację, do której grupy należy materiał o danej strukturze, jego oznaczenie, wybrane własności oraz kilka konkretnych przykładów zastosowania.



6. ZALECANA LITERATURA


  1. Dobrzański L. A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006

  2. Krzemiński-Freda H.: Łożyska toczne, PWN, Warszawa 1989

  3. Luty W.: Stale łożyskowe, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1969

  4. Metaloznawstwo: pr. zb. pod red. M. Głowackiej, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996

  5. Rudnik S., Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 1996

7. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA


    1. Kozłowiecki H., Łożyska tłokowych silników spalinowych, WKŁ, Warszawa 1974.

    2. Tokarski M., Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych, Wyd. Śląsk, 1985.

 Opracował: Roman O. Wielgosz, Andrzej Sułkowski

1 Znane są także łożyska sprężyste, łożyska magnetyczne i łożyska elektryczne, lecz ze względu na ich zasadniczo różną konstrukcję i sposób pracy nie są tutaj omawiane.

2 Tribologia jest to nauka o procesach zachodzących w ruchomym styku ciał stałych, obejmująca badania nad tarciem, zużywaniem oraz smarowaniem.

3 Zależność tego rodzaju nosi nazwę interakcji.

4 Proces powstawaniu ubytku materiału w wyniku implozji pęcherzyków gazowych tworzących się w cieczy, np. płynnym smarze, i uderzających w powierzchnię elementu; towarzyszą temu oddziaływania mechaniczne, chemiczne i elektryczne.

5 Adhezja (przyleganie) - łączenie się fragmentów powierzchni ciał (faz) na skutek przyciągania międzycząsteczkowego

6 Materiał kompozytowy, w formie laminatu z tkaniny z wypełnieniem żywicą fenolową

7 Podobny efekt uzyskuje się wprowadzając powłokę izolacyjną z tlenku glinu na zewnętrznych powierzchniach pierścienia wewnętrznego lub zewnętrznego.

8 Stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwego




1   2   3


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna